V. Методы химического анализа.

Анализ веществ проводят различными методами, которые можно разделить на две группы: методы Разделения и методы Определения.

Метод Разделения различных элементов или их соединений ставят своей задачей подготовку исследуемого объекта для анализа. Такая подготовка необходима в большей степени, чем сложнее смесь, которую надо анализировать. Необходи­мость разделения вызвана тем, что в целом ряде случаев не­возможно непосредственное определение элемента или соедине­ния прямо из образца, так как методы определения оказываются недостаточно специфичны. Поэтому требуется предвари­тельное отделение интересующего аналитика элемента или соединения от мешающих определению веществ. Иногда необхо­димо не только разделение, но и концентрирование определяе­мого компонента, если он находится в исследуемом объекте в виде микропримесей. Эта цель достигается с помощью мето­дов, которые применяют и для разделения, и для концентриро­вания. К ним относят: осаждение и соосаждение, отгонку и дистилляцию, экстракцию, адсорбцию, ионный обмен, хроматогра­фию, электрохимические методы.

Общим для подавляющего большинства методов разделения является распределение компонентов смеси между двумя фа­зами, которые затем отделяют друг от друга механически. Рас­пределение между твердой и жидкой фазой происходит при разделении веществ методами осаждения, соосаждения, адсорб­ции, ионного обмена; между жидкой и газообразной фазами - методом дистилляции; между двумя жидкими фазами - мето­дом экстракции; между твердой и газообразной фазами - ме­тодами адсорбции и возгонки.

Осаждение - один из наиболее распространенных методов разделения элементов и их соединений. В основе этого метода лежит различие в растворимости определяемых и мешающих соединений. Разделение осуществляется следующими способами: если определяемый и мешающий компоненты находятся в растворе, то путем осаждения один из них переводят в дру­гую фазу-осадок; если мешающим является не один компонент, а несколько, выбирают один из следующих способов разделения:

- подбирают селективный осадитель, осаждающий определяе­мый компонент, при этом мешающие компоненты остаются в растворе;

- подбирают общий осадитель, дающий возможность осадить все мешающие компоненты, определяемый компонент остается в растворе;

- осаждают все компоненты, затем осадок обрабатывают ра­створителем, переводящим определяемый компонент в раствор, мешающие компоненты остаются в осадке.

Степень разделения веществ методом осаждения зависит от ряда факторов, важнейшие из которых: природа образующе­гося химического соединения (осадка), растворимость осаждаемого соединения, избыток осаждающего реагента, среда раствора.

Простым и эффективным способом извлечения (концентри­рования) микрокомпонентов из сильно разбавленных растворов является использование явления соосаждения - осаждение микрокомпонента, не способного образовывать самостоятельный осадок, на осадке макрокомпонента (коллектора). Обычно кол­лекторами служат малорастворимые гидроксиды, сульфиды, галогениды, фосфаты.

Экстракция - один из наиболее часто применяемых методов разделения и концентрирования, основанный на распределении растворенного вещества между двумя несмешивающимися жидкостями. В качестве несмешивающихся жидкостей исполь­зуют воду и органические растворители (бензол, сероуглерод, хлороформ и др.), обладающие различной растворяющей спо­собностью по отношению к экстрагируемым веществам. Так, если водный раствор вещества или смеси веществ привести в контакт с каким-либо органическим растворителем- экстрагентом, то компоненты менее растворимые в воде, чем в экстрагенте, извлекаются им из водного раствора. Органический растворитель подбирают таким образом, чтобы в нем количест­венно растворялся определяемый компонент и плохо или сов­сем не растворялись другие компоненты анализируемой смеси.

Для разделения смесей веществ и количественного избира­тельного выделения из раствора или газовой смеси одного ком­понента получили широкое применение методы адсорбции и ионного обмена. Адсорбцией называют поглощение веществ из газовой или жидкой среды и их избирательное удерживание поверхностью некоторых твердых веществ (адсорбентов). По характеру взаимодействия между адсорбентом и веществом различают молекулярную адсорбцию, проходящую без измене­ния химического состава вещества за счет силы межмолекулярного взаимодействия, и хемосорбцию, при которой вещество вступает в химическое взаимодействие с поверхностью адсор­бента. Из молекулярных адсорбентов широко применяют оксид алюминия (А1₂О₃), силикагель (SiO₂), активированные угли, алюмосиликаты (циолиты) и др. В методе ионного обмена для разделения применяют особые вещества - ионообменники (иониты). В качестве последних используют природные или синтетические смолы, твердые, нерастворимые в воде высоко­молекулярные соединения, содержащие в своем составе актив­ные группы (—SO₃H; - (ООН; —NH₂; ОН и др.), способные к обмену ионами (катионами или анионами) с раствором. На­пример, катионный обмен идет по следующей схеме: R — SO₃H⁺ + М⁺  R — SO₃M⁺ + Н⁺. Этот процесс обратим, и при пропускании кислоты происходит регенерация смолы, а катион переходит в раствор. Процесс адсорбции также обра­тим, поэтому адсорбированные вещества можно удалить с по­верхности адсорбента, провести их десорбцию с помощью вытес­няющего реагента. При этом сорбированные вещества перехо­дят в раствор или газовую фазу.

Хроматография - эффективный, современный метод разде­ления неорганических и органических веществ, близких по со­ставу и свойствам, который основывается на использовании яв­лений сорбции в динамических условиях. Общий принцип всех хроматографических методов состоит в том, что разделение компонентов происходит вследствие неодинакового распределе­ния их между двумя фазами - подвижной и неподвижной. Этот процесс повторяется многократно. Неподвижная фаза может быть жидкой или твердой, подвижная - газообразной или жид­кой. По типу подвижной фазы различают газовую и жидкост­ную хроматографию. Во всех методах хроматографии подвиж­ная фаза при движении относительно неподвижной производит с различной скоростью перенос веществ, находящихся в смеси. При этом происходит разделение веществ. Хроматографическое разделение основано на разных механизмах. В связи с этим различают:

адсорбционную хроматографию разделение вследствие различной адсорбции на адсорбенте веществ, находящихся в подвижной фазе;

распределительную хроматографию - разделение в резуль­тат различной способности распределяться между неподвиж­ной жидкой и подвижной жидкой или газовой фазами;

ионообменную хроматографию - разделение, обусловленное различной способностью ионов жидкой подвижной фазы к ион­ному обмену на ионите;

осадочную хроматографию - разделение, основанное на осаждении веществ в неподвижной фазе и последующем разде­лении этих осадков подвижной фазой вследствие их различной _{растворимости.}

В соответствии с применяемой техникой хроматографирования различают колоночную, бумажную, тонкослойную хромато­графию.

К электрохимическим методам разделения и концентрирования относят электроосажденис, электродиализ, ионофорез. В этих методах используют способность веществ подвергаться электрохимическому окислению или восстановлению, различ­ную скорость движения ионов в электрическом поле и другие электрохимические свойства веществ.

Метод отгонки основан на выделении в виде газообразной фазы летучих компонентов при нагревании анализируемого объекта. Отгонку проводят из раствора пли твердой фазы (возгонка). Отгоняемый компонент или непосредственно содер­жится в пробе, или образуется в результате химической реак­ции. В виде летучего соединения может быть отогнан как определяемый компонент, так и основная масса вещества. В по­следнем случае остаток представляет собой концентрат опреде­ляемого компонента.

Аналитическая перегонка, или дистистилляция, основана на ( испарении летучих компонентов и используется для разделения летучих веществ. Эти вещества отличаются друг от друга тем­пературой кипения. Следовательно, при испарении смеси двух или нескольких летучих компонентов паровая фаза обогащается прежде всего парами более летучего компонента. При про­ведении подобных определений предварительно с помощью \ химических реакций переводят определяемый компонент в летучую форму (например, азот -в аммиак, ацетильные группы - ( в уксусную кислоту), которую затем количественно перегоняют._я

Методы определения - это методы анализа, позволяющие непосредственно определить качественный и количественный состав образца. Методы определения принято разделять на химические, физико-химические и физические. Химические (клас­сические) методы анализа наиболее старые, но широко распро­странены и в настоящее время. В этих методах широко применяют химические реакции качественном составе анализируемого вещества судят по свойствам продуктов реакции (образо­вание или растворение осадков, образование окрашенных про­дуктов, выделение газов). В химических методах количествен­ного анализа проводят химическую реакцию и измеряют либо массу полученного продукта, либо затраченный объем реаген­та, что дает возможность судить о количестве определяемого вещества. Физико-химические методы анализа стали применять позднее, когда была установлена и изучена связь между физи­ческими свойствами веществ и их составом. Это позволило раз­работать группу методов, основанных на измерении способно­сти вещества поглощать или пропускать свет определенной длины волны (фотометрические, люминесцентные методы ана­лиза). Другая группа физико-химических методов анализа - электрохимические методы основана на измерении электри­ческих параметров: силы тока, разности потенциалов и т. д.

К ним относят потенциометрические и ионометрические, поля­рографические, амперометрические, кулонометрические, кондуктометрические методы анализа.

Физические методы анализа - наиболее современные и бы­стро прогрессирующие методы. К ним относят спектроскопиче­ские методы (эмиссионно-спектральный анализ, атомно-абсорбционный анализ, рентгеноспектральные методы анализа), ядер­но-физические и радиохимические методы (радиоактивационный метод, метод изотопного разбавления), масс-спектрометрический метод.

В физико-химических и физических методах анализа при­меняют приборы и аппараты, регистрирующие физические свойства веществ или изменение этих свойств, поэтому их объ­единяют под общим названием - инструментальные методы анализа.

Приведенная классификация достаточно условна, так как четкого разграничения между названными методами провести нельзя. Перспективы развития методов аналитической химии связаны с постоянным расширением и усложнением объектов анализа, что в первую очередь требует совершенствования ме­тодов инструментального анализа. Поскольку инструменталь­ные определения часто проводят на конечном этапе анализа, сохраняется необходимость предварительной химической подго­товки пробы для анализа. Поэтому необходимо совершенство­вание и классических методов химического анализа, в том чис­ле методов пробоотбора, подготовки пробы к анализу, методов определения, разделения и концентрирования.